竹原纤维的分级提取及其性能

王春红， 陈 祯， 李园平， YOUSFANI Sheraz Hussain Siddique， 陈雅颂

(1. 天津工业大学 纺织学院， 天津 300387； 2. 天津工业大学 教育部与天津市共建先进复合材料重点实验室， 天津 300387； 3. 天津工业大学 中空纤维膜材料与膜过程重点实验室， 天津 300387； 4. NED 工程技术大学 纺织工程系, 卡拉奇 999010； 5. 天津工业大学 理学院， 天津 300387)

竹原纤维的分级提取及其性能

王春红1,2,3， 陈 祯1,2,3， 李园平1,2,3， YOUSFANI Sheraz Hussain Siddique4， 陈雅颂5

(1. 天津工业大学 纺织学院， 天津 300387； 2. 天津工业大学 教育部与天津市共建先进复合材料重点实验室， 天津 300387； 3. 天津工业大学 中空纤维膜材料与膜过程重点实验室， 天津 300387； 4. NED 工程技术大学 纺织工程系, 卡拉奇 999010； 5. 天津工业大学 理学院， 天津 300387)

为探究不同竹龄及不同取材部位竹原纤维性能的变异规律，以不同竹龄、不同部位的慈竹为原料，采用物理-化学结合的方法提取竹原纤维，并分别测定竹原纤维的化学组成、纤维的表面形貌、纤维的密度、吸湿性能、拉伸强度。结果表明：相同部位竹原纤维，随竹龄的增加，纤维的密度先增大后减小，纤维的回潮率先减小后增大；相同竹龄竹原纤维，随着距地高度的增加，纤维密度增加，回潮率先稍有降低后升高。3年生慈竹梢部纤维密度最大，为1.70 g/cm3，4年生的基部纤维密度最小，为1.51 g/cm3。3年生慈竹中部纤维回潮率最低，为12.94%，其不同部位竹原纤维拉伸强度较为稳定，4年生中部竹原纤维拉伸强度最大，为787.42 MPa。

竹原纤维； 分级提取； 表面形貌； 力学性能； 化学成分

竹原纤维作为一种绿色环保的植物纤维，集聚了密度小、强度高、刚度大、耐磨等优点，符合人们对节能环保的需求，因此受到了较为广泛的关注。近十几年，竹原纤维的应用领域逐步由造纸、竹编制品、家庭及生产工具、工艺品、建筑等扩展到汽车、轮船制造、纺织[1-3]，并在复合材料领域获得了极大的重视与应用。竹原纤维制备的复合材料在某些复合材料领域具有替代玻璃纤维增强复合材料的可能性[4]。然而，竹原纤维性能的不均一性极大地限制了其应用。

针对如何获取性能优异且稳定的竹原纤维，前人针对提取方法及工艺改进做了大量研究[5-6]，也有研究[7]指出，采用3～5年生竹材提取竹原纤维的结构更加稳定且综合性能较强。孙中伟[8]指出2～3年生竹材中外部纤维素含量高，胶质含量低，更适用于提取纤维。目前，竹原纤维的取材较为广泛，选用的竹种包括慈竹、毛竹、绿竹等[9-10]；竹材的竹龄及取材部位也较为灵活，竹龄1～6年生不等[6，11-12]，取材部位包括梢部、中部、竹片的外层、竹片的内层等[13]。针对不同取材所制取竹原纤维性能的系统性研究鲜见报道。本文针对不同竹龄、不同部位竹材提取的竹原纤维部分性能进行研究，以探究其变异规律。

1 实验部分

1.1实验原料及试剂

慈竹，2、3、4年生(四川宜宾金泰竹业)；NaOH(分析纯，天津市风船化学试剂科技有限公司)；Na2SO3(分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司)；JFC渗透剂(上海印染水洗日化助剂有限公司)。

1.2实验设备

XFS-280A型手提式压力蒸汽灭菌锅(浙江新丰医疗器械有限公司)；DHG-9070A型电热鼓风干燥箱(上海一恒科学仪器有限公司)；DFD-700型电热真空干燥箱(天津市中环实验电炉有限公司)；STP-FA2004型电子天平(上海上平仪器有限公司)；3369型Instron万能强力机(美国英斯特朗集团)；Nicolet isso型傅里叶变换红外光谱仪(Thermo Scientific有限公司)；TM-1000型扫描电子显微镜(日本株式会社日立高新技术那柯事业所)。

1.3竹原纤维的分级提取

分别取不同竹龄(2、3、4年生)和不同部位(基部(距地0～2 m)、中部(距地2～4 m)、梢部(距地4～6 m))的竹片，用清水洗涤；室温条件下将竹片分别置于碱液(NaOH、Na2SO3、JFC渗透剂的混合溶液，NaOH 50 g/L、JFC渗透剂 3 g/L、Na2SO3加入量为竹片干态质量的2%)中浸泡24 h；然后将浸泡好的竹片取出清洗，放入常压蒸煮容器中处理1 h；将蒸煮好的竹片取出，用刀具在竹片厚度处从中间破开沿竹片纵向一分为二，靠近竹青处的部分统称为竹青，靠近竹黄的部分统称为竹黄；再将分离后的竹青用压辊碾压，靠机械作用将连接在一起的纤维束分散开，将碾压好的纤维用铁木梳在单向作用力下反复梳理以去除较多的胶质，使纤维束更好地分离。工艺流程如图1所示。

图1 竹原纤维提取工艺流程Fig.1 Process of extracting bamboo fiber

1.4测试与表征

1.4.1红外光谱测试

采用傅里叶变换红外光谱研究不同竹原纤维样品化学成分的差异。竹原纤维测试前分别用蒸馏水清洗干净并烘干。扫描范围为4 000～400 cm-1，扫描次数为64。

1.4.2化学成分测试

依照GB 5889—1986《苎麻化学成分定量分析方法》，测定竹原纤维的纤维素、半纤维素、脂蜡质、木质素、果胶、水溶物含量。

1.4.3表面形貌测试

使用离子溅射仪对竹原纤维进行喷金制样，然后使用扫描电子显微镜对竹原纤维的表面形貌进行观察。

1.4.4密度测试

采用比重瓶法依照下式计算纤维的密度，重复实验5次，结果取平均值。

式中：ρ为竹原纤维密度，g/cm3；M为纤维质量，g；M1为蒸馏水和比重瓶的质量，g；M2为蒸馏水、纤维和比重瓶的质量，g；ρl为某温度下水的密度，g/cm3。

1.4.5吸湿性能测试

参照GB 5883—1986《苎麻回潮率、含水率试验方法》测定竹原纤维回潮率。每组测试5个试样，结果取平均值。

1.4.6强度测试

参照ASTM D 1294—2005《1英寸(25.4 mm)规准长度羊毛纤维束的拉伸强度和断裂强度的标准试验方法》测试竹原纤维强度，每组10个试样，万能强力机夹持隔距为25.4 mm，拉伸速度为250 mm/min。

2 结果与分析

2.1化学成分分析

2、3、4年生慈竹不同部位提取的竹原纤维的化学成分含量如表1所示。不同部位不同竹龄竹原纤维化学成分含量方差分析见表2。

表1 不同部位不同竹龄竹原纤维化学成分含量Tab.1 Chemical composition of bamboo fiber extracted from bamboos of different years and zones

表2 不同部位不同竹龄竹原纤维化学成分含量方差分析Tab.2 Variance and significance analysis on chemical composition of bamboo fiber extracted from bamboos of different years and zones

注：*代表在0.05水平上显著相关。

由表2可看出，竹龄对脂蜡质、果胶、木质素、纤维素、总纤维素含量影响显著，对水溶物含量、半纤维素含量影响不显著。随竹龄的增加，竹原纤维中脂蜡质的含量增加，水溶物含量、果胶含量、半纤维素含量、木质素含量均呈现先增加后减少的趋势，纤维素含量先减小后增加，这与竹材中各化学物质含量随竹龄的变化规律基本相符[14]。由于竹原纤维取材于竹子，其化学成分含量在很大程度上会受到竹材的影响，因此在竹原纤维取材过程中，竹龄是重要的考虑因素，对脂蜡质、果胶、木质素、纤维素、总纤维素含量影响显著，取材部位对水溶物含量、半纤维素含量影响不显著(见表2)。由表1知，随距地高度的增大，2、3、4年生慈竹其竹原纤维中脂蜡质含量先增加后减小，其中中部竹材提取竹原纤维的脂蜡质含量最高。随距地高度的增加，2、3、4年生竹原纤维的果胶含量先减小后增加，其中梢部竹材提取竹原纤维的果胶含量最高。相比于中部和基部，2、3、4年生竹原纤维的木质素含量在梢部均达到最高，这与竹材中木质素含量的分布类似[15]。2、3、4年生竹原纤维的纤维素含量和总纤维素在中部和基部较高，在梢部含量较低，这与竹材中纤维素与总纤维素的分布类似[15]。不同竹龄竹材提取竹原纤维的水溶物、半纤维素、木质素、纤维素含量沿竹秆高度变化，均未呈现相同的变化规律。

注：1—2年生梢部; 2—2年生中部; 3—2年生基部; 4—3年生梢部; 5—3年生中部; 6—3年生基部; 7—4年生梢部;8—4年生中部; 9—4年生基部。图2 不同部位不同竹龄竹原纤维红外光谱图Fig.2 Infrared spectra of bamboo fibers

2.2竹原纤维密度

图3示出不同竹龄不同部位竹原纤维密度的变化趋势图。

图3 不同竹龄不同部位的竹原纤维密度Fig.3 Density of bamboo fiber extracted from different zones and different years

表3示出竹龄及距地高度对竹原纤维密度的方差分析。可看出，距地高度和竹龄对竹原纤维的密度均有显著影响，随距地高度的增加，竹原纤维密度增加。有研究[16-17]表明随距地高度的增加，竹原单纤维细胞的壁厚和壁腔比都逐渐增加，细胞壁中包含的实质物增多，使得单纤维结构更加致密，最终导致工艺纤维的密度呈现随距地高度的增加而增大的趋势。不同部位竹原纤维的密度均呈现随竹龄的增加先升高后降低的趋势，这是由于随竹龄的增加，慈竹单纤维细胞的壁腔比先增加后降低，导致工艺纤维密度先增加后降低[18]。

表3 竹龄及距地高度对竹原纤维密度影响的方差分析表Tab.3 Variance and significance analysis on density of bamboo fiber extracted from of bamboos different years and zones

注：*代表在0.05水平上显著相关。

2.3竹原纤维的表面形貌分析

图4示出从2年生竹材不同部位提取的竹原纤维的纵向形貌照片。3个部位提取的竹原纤维均由数十根单纤维胶黏而成，但梢部竹原纤维束包含的单纤维数量较少(见图4(a))；中部竹原纤维束包含的单纤维数量稍多(见图4(b))；基部竹原纤维束包含的单纤维数量最多(见图4(c))。梢部竹原纤维表面覆盖着大量的胶质，中部竹原纤维表面黏附着部分以片状形式存在的胶质，基部竹原纤维表面光洁，几乎无胶质。由此可见相同竹龄不同部位的竹材提取的竹原纤维，随着距地高度的减小，纤维表面胶质减少，即基部<中部<梢部。

图5示出采用不同竹龄的梢部竹材提取的竹原纤维纵向形貌。图5(a)中的竹原纤维表面存在大量的胶质，平滑均匀地覆盖在纤维表面，竹原纤维中单纤维的数量较少。图5(b)中的3年生竹原纤维表面存在部分胶质，但与2年生竹原纤维相比，3年生竹原纤维表面的胶质较少，以片状不均匀的形式黏附在竹原纤维的部分区域。图5(c)中4年生竹原纤维表面光洁，纤维表面几乎无胶质。由此可见不同竹龄相同部位的竹材提取的竹原纤维，随竹龄的增加，纤维表面胶质减少。

2.4竹原纤维的回潮率分析

图6示出竹原纤维回潮率随取材部位和竹龄变化的趋势图。表4示出竹龄及取材部位对竹原纤维回潮率的显著性分析。由表4可知，取材部位及竹龄对竹原纤维的影响显著。分别比较来自2～4年生竹材竹原纤维的回潮率变化趋势发现：沿竹秆纵向随距地高度的变化，2、3、4年生竹材的竹原纤维回潮率呈降低趋势。纤维的各种伴生物和杂质，以及纤维内缝隙孔洞均对吸湿能力有一定的影响。自基部至梢部，竹原纤维密度增大，即竹原纤维中的缝隙孔洞自基部至梢部呈减少趋势，纤维的比表面积减小，吸湿能力降低。与梢部和基部竹原纤维相比，中部竹原纤维的回潮率较低，这是由于纤维中的果胶较其主要成分更能吸着水分，而脂蜡质、脂肪不易吸着水分，中部竹原纤维中的脂蜡质含量最高，果胶含量最低(见表1)，导致其吸水能力较差，回潮率低。

图4 不同部位竹原纤维纵向形貌照片(×500)Fig.4 Surface longitudinal morphologies of bamboo fibers extracted from tip (a), middle (b) and root (c)(×500)

图5 不同竹龄竹原纤维纵向形貌照片(×500)Fig.5 Surface longitudinal morphologies of bamboo fibers extracted from 2-year bamboo (a), 3-year bamboo (b), and 4-year bamboo(×500)

方差来源平方和自由度均方差F值P值显著性竹龄263221316290540000∗部位08742043796520006∗误差040890045总计331020518

注：*代表在0.05水平上显著相关。

图6 不同竹龄不同距地高度的竹原纤维回潮率Fig.6 Moisture regain of bamboo fibers extracted from bamboos of different years and heights distant from ground

从图6可看出，随着竹龄的增加，不同部位竹材提取的竹原纤维的回潮率呈现先稍有降低后升高的趋势，其中从2、3年生竹材提取的竹原纤维的回潮率接近，4年生的竹原纤维回潮率最高。这是由于竹原纤维回潮率受纤维比表面积影响较大，竹原纤维的密度随竹龄的增加先增大后减小(见图3)，密度越大，纤维内孔隙越多越大，水分子越易进入，毛细管凝结水也有空间，且孔隙表面相当于比表面积的增加，4年生的竹原纤维密度最低，故其回潮率最大。

2.5竹原纤维强度分析

图7示出不同竹龄不同部位竹原纤维强度。表5示出竹龄及距地高度对竹原纤维强度的方差分析。距地高度和竹龄对竹原纤维强度的影响显著。不同部位不同竹龄竹原纤维的拉伸强度变异未呈现明显规律。不同竹龄的基部竹原纤维的拉伸强度差异较小；中部竹原纤维的强度差异较大，且随着竹龄的增加而增大；梢部竹原纤维强度存在一定差异。从3年生竹提取的竹原纤维的拉伸强度随纵向部位变化的变异较小，力学强度更稳定。

图7 不同竹龄不同距地高度的竹原纤维强度Fig.7 Tensile strength of bamboo fiber extracted from bamboos of different zones and years

方差来源平方和自由度均方差F值P值显著性距地高度11139197852227839641550001∗竹龄 9524873324762436688820000∗误差 8364426191565361812总计 89127498604174

注：*代表在0.05水平上显著相关。

3 结 论

1)竹龄和部位(距地高度)对竹原纤维的化学成分、表面形貌、密度、回潮率、拉伸强度均有影响。不同竹龄不同部位竹原纤维的化学结构基本相同，但含量存在一定差异。

2)同一竹龄竹原纤维，随距地高度增加，纤维密度增加，回潮率降低；同一部位竹原纤维随竹龄增加，纤维密度先增大后减小，回潮率先降低后升高。3年生慈竹其梢部纤维密度最大(1.70 g/cm3)，3年生中部纤维回潮率最低(12.94%)，4年生的基部纤维密度最小(1.51 g/cm3)。

3)3年生慈竹其不同部位竹原纤维拉伸强度差异较小，纤维拉伸性能较为稳定。4年生的中部竹原纤维拉伸性能最优(787.42 MPa)。

FZXB

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Classifiedextractionandpropertiesofbamboofiber

WANG Chunhong1,2,3， CHEN Zhen1,2,3， LI Yuanping1,2,3， YOUSFANI Sheraz Hussain Siddique4， CHEN Yasong5

(1.SchoolofTextiles,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China; 2.KeyLaboratoryofAdvancedTextileCompositeMaterials,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China; 3.KeyLaboratoryofHollowFiberMembraneMaterialandMembraneProcessofMinistryofEducation,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China; 4.TextileEngineeringDepartment,NEDUniversityofEngineering&Technology,Karachi999010,Pakistan; 5.SchoolofScience,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China)

In order to investigate the property differences of the bamboo fibers extracted from different years and zones, the chemical composition, surface morphology, density, moisture absorption and tensile strength of bamboo fiber were tested. The bamboo fibers were extracted from Sinocalamus affinis of different years and zones by physicochemical method. The results show that with the increase of the year, the fiber density increases firstly and then decreases and the moisture regains decreases first and then increase with the year increase. The fiber density increases with the increase of the height. The moisture regains decrease firstly and then increase with the increase of height. The density of fiber extracted from three-year and the tip is the highest (1.70 g/cm3). The density of fiber extracted from four-year and the bottom is the lowest(1.51 g/cm3). The moisture regain of fiber extracted from three-year and the middle is the smallest (12.94%). The tensile strength of fiber extracted from three-year bamboo is more stable, and the tensile strength of fiber extracted from four-year and middle bamboo is the highest (787.42 MPa).

bamboo fiber; classified extraction; surface morphology; tensile property; chemical composition

10.13475/j.fzxb.20170201707

TS 102.2

A

2017-02-13

2017-07-17

天津市科技特派员项目(16JCTPJC44900)

王春红(1980—)，女，副教授。主要研究方向为绿色环保功能型纤维、纺织品及纺织复合材料。E-mail: cn_wangch@163.com。